并置压电传感／作动器的最优配置及反馈增益研究

提出了一种改进的模拟退火算法,对应用离散分布压电智能传感/作动器进行柔性结构振动控制的一体化全局最优配置问题作了研究。首先,给出了压电陶瓷作动器对结构产生激励的频响函数;其次,对并置的直接速度反馈控制方法,以主动控制后系统所贮存的总能量为目标函数,对压电陶瓷作动器的安放位置及反馈增益,以改进的模拟退火算法进行优化,可方便地获得全局最优解;最后以悬臂梁为例,分别给出了单点并置问题和多点并置问题的最优配置,验证了该方法的有效性。     

智能桁架结构最优振动控制与作动器优化配置

研究了智能桁架结构最优振动控制和作动器的优化配置问题。首先采用有限元方法,根据Hamilton原理推导了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。然后通过对最优控制性能指标函数的修正,得到了与初始状态无关的性能指标,以修正的性能指标为目标函数,应用模拟退火算法对作动器位置进行了优化配置。最后给出了空间智能桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。算例结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果,而且通过模拟退火算法可以确定最佳的作动器布置方式。     

机敏杆压电扭转驱动器／传感器优化布置

提出一种由薄壁杆、压电扭转驱动器、压电传感器组成的机敏杆,针对机敏杆扭转振动控制中驱动器/传感器优化配置问题,对机敏杆的扭转振动进行了深入的研究,采用拉格朗日方程和假设模态法推导了机敏杆系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式.将机敏杆划分为若干个位置单元,选取主动控制器的最大耗能作为优化准则,运用遗传算法获得了压电扭转驱动器/传感器的最佳配置位置及最优反馈增益.结果表明:所获得的最优位置、反馈增益是合理的,将驱动器/传感器同位配置在最优位置并实施相应的闭环最优控制,主动控制器的耗能最大,并能有效抑制机敏杆的扭转振动.     

超长柔性臂架回转振动主动控制研究

针对超长柔性臂架回转振动过大问题,结合臂架结构特点基于有限单元法建立臂架回转动力学模型,分析臂架回转系统振动特性。采用模态滤波技术及最优极点配置算法进行主动控制策略设计与理论分析,并搭建主动控制试验系统,进行超长臂架回转振动主动控制试验。试验结果表明,该振动主动控制方法能有效提升受控系统阻尼比(增幅920%),显著抑制臂架回转振动衰减时间(减幅73%),振动控制效果明显,不仅对研制更长臂架泵车具有重要的理论及应用价值,且对所有具有超长柔性机械臂高端装备回转振动控制具有重要参考价值。     

基于预测算法的结构振动半主动控制

根据离散时间状态下的Newmark时域积分方法预测结构响应值,通过在一定范围内寻找适当的控制力参数使目标函数最优,达到对结构振动响应的预测控制。对地震波作用下配置磁流变阻尼器的的两层框架结构进行数值分析,讨论控制策略中有关参数变化对振动抑制效果的影响。分析结果表明基于Newmark-β预测算法的结构振动响应半主动控制优于基于全局最优解的经典反馈控制系统,控制效果明显、鲁棒性好。     

光电层合简支板的多模态最优模糊主动振动控制

本文以配置两对光致伸缩驱动器的简支板为控制对象,提出了最优控制与模糊控制相结合的最优模糊主动控制算法。考虑到光致伸缩驱动器的非线性驱动特性,首先由最优控制获得光电层合简支板多模态振动的期望控制量, 再通过模糊控制器使光致伸缩驱动器光致应变逼近该控制量, 从而实现对简支板的多模态振动控制。在最优模糊控制器设计过程中,模糊控制的设计与最优控制设计是相互独立的。仿真结果表明, 最优模糊控制能够有效实现光电层合简支板的多模态振动抑制,控制效果明显优于直接最优状态反馈控制。     

MR阻尼器控制算法对斜拉索的减振效果

采用基于位移和速度方向的半主动控制算法,以及基于最优控制力的多种主动控制算法(线性最优控制算法、特征结构配置法、次最优控制法、变结构滑移模态控制法)对杭州湾大桥南航道桥330m长斜拉索和MR阻尼器组成的系统进行了动力分析.以全索全时段振动响应的均方根作为振动控制效果的评价指标,从控制效果和易实施的角度评述了各种半主动控制算法.计算表明半主动控制算法对斜拉索的减振效果可优于最优的被动控制.     

动力吸振器在浮置板轨道低频振动控制中的应用

研究了动力吸振器对轮轨动力作用下浮置板轨道低频振动的控制特性。首先基于动力吸振器定点理论以及多自由度系统等价质量识别法,并通过对浮置板轨道进行模态分析,确定了浮置板附加动力吸振器的最优刚度、最优阻尼和最优附加位置;然后对浮置板轨道进行简谐响应分析,探讨了控制浮置板各阶模态振动的动力吸振器在不同质量比下的吸振特性;最后基于车辆-轨道耦合动力学模型,研究了列车动荷载作用下动力吸振器对浮置板轨道低频振动的控制特性。结果表明:动力吸振器能够有效地吸收浮置板轨道的固有频率附近的低频振动能量;动力吸振器的质量比越大,其吸振效果越明显;合理的吸振器设置能够有效地控制列车动荷载下浮置板低频振动及对应频段钢弹簧支反力向下部基础的传递。     

谐和激励下阻尼材料的配置优化

针对传统阻尼处理方式引入附加质量过大的弊端,利用拓扑优化技术研究谐和激励下阻尼材料配置优化问题。首先对谐和激励下自由阻尼板动态位移响应进行了灵敏度分析,并建立了阻尼材料配置优化模型,然后利用基于Kuhn-Tucker条件的优化准则法给出优化流程,并据此得到不同激励频率下以复合结构上某点位移响应幅值最小化为目标的受限质量阻尼材料最优配置构型。研究表明阻尼材料的最优配置构型与激励频率相关,优化阻尼材料配置方式,能够在附加质量约束条件下实现对振动的有效控制。对于附加阻尼结构轻量化设计具有一定的参考价值。     

新型滚珠式多向动力吸振器的理论研究

提出了一种用于控制特殊多方向强迫振动的滚珠式动力吸振器。通过理论分析和数值计算,研究了该吸振器的振动控制机理和主要参数对吸振效果的影响。利用定点理论,优化设计了控制系统的最优频率和最优阻尼。研究表明,利用该结构简单的吸振器可以有效地控制机械或结构在共振频率点附近所发生的特殊的强迫振动响应。     

车辆主动悬挂的最优控制研究

本文在传统的车辆悬挂设计方法的基础上提出了一种主动悬挂的最优自适应控制方法:首先利用优化方法找出悬挂参数与激励(路面谱与车速)之间的最优对应关系,而激励的大小又可通过车身振动加速度来反映,从而推导出根据车身振动加速度反馈来调节悬挂参数的一种新的最优自适应控制方法.仿真计算结果表明该控制方法是有效的,也是易实现的.     

基于混杂系统Q学习最优控制的信号灯控制方法

采用混杂切换系统Q学习最优控制方法实现了单交叉口信号灯优化控制.提出了应用强化学习中的Q学习进行混杂系统切换控制的方法,并将该方法应用于解决交叉口信号灯控制问题.首先建立了交叉口混杂切换系统模型,在确定信号灯控制行为集的基础上,应用Q学习算法决定最优的控制策略,进而得出交叉口信号灯最佳切换信号.采用Paramics微观交通仿真软件进行了仿真,结果验证了采用该方法实现混杂切换系统优化控制问题的可行性和有效性.     

平面二次代数曲线的最优参数化

在CAGD和CG中,代数曲线上指定曲线段的最优参数化是热点问题,而不是整条曲线。以最接近于弧长的参数化为最优的参数化评判标准,得到了二次代数曲线上的任意指定曲线段的最优或逼近最优的有理参数化公式,具有较强的自适应性。最后,通过实例对该方法与传统方法得到的参数化结果进行了对比。     

基于随机平均的非线性随机最优控制

首先建立非线性随机系统的最优控制问题,并介绍通过随机平均法导出平均系统、再由随机动态规划原理确定控制律的平均系统的非线性随机最优控制方法。然后,对于非线性随机系统的动态规划方程,提出应用随机平均法简化该方程、从而得到最优平均控制律的方法,并证明该最优平均控制律等价于平均系统的最优控制律。最后用一个例子说明方法及等价性,并指出在一定条件下,最优平均控制律将是动态规划方程的精确解。     

A convenient solver for solving optimal control problems

Abstract

This paper focuses on the development of a solver for solving optimal control problems. A developed numerical optimal control module integrated with the Sequential Quadratic Programming method is introduced. An optimal control problem solver based on the proposed method is implemented to solve optimal control problems efficiently in engineering applications. In addition, a systematic procedure for solving optimal control problems by using the optimal control problem solver is also proposed. A time‐optimal benchmark problem presented in the literature is used to illustrate for the capability and facility of solving optimal control problems. The numerical results demonstrate the proposed method and the procedure suggested in this paper are helpful to engineers in solving optimal control problems in a systematic and efficient manner.     

同顺序排序问题近似最优解的一种简便解法

为了解决传统的同顺序m×n排序问题近似最优解解法优化程度不高且步骤繁琐这一问题,提出一种新的近似最优解简便解法.该方法在分析最小系数法、关键零件法和关键加工中心法利弊的基础上,兼顾3种方法的优点,克服三者缺点,综合提出了优化程度更高的简便解法,并从图论、概率论及仿真试验角度证明,该方法使用效果良好.     

宽带激励下非线性振动系统响应的最小化控制

将一种基于广义谐和函数的随机平均法和随机动态规划原理相结合，提出了一种非线性随机最优控制方法，可以为受宽带激励的单自由度强非线性振动系统设计最优控制规律，以使得系统的稳态响应最小化。方法中的随机平均法用来得到受控系统位移幅值的Ito随机微分方程；用随机动态规划原理为系统稳态响应最小化建立动态规划方程；在控制力为有界的条件下，从动态规划方程中可以导出最优控制规律；通过求解FPK方程得到受控系统的响应。本文用一个具体的例子阐述了这一控制方法的实施过程。     

Finite element and conjugate gradient methods for a nonlinear optimal heat transfer control problem

The boundary control problem of optimal heating of an infinitely long slab with tempertue-dependent thermal conductivity, subjected to a convection and radiation boundary condition, is analysed by numerical methods. In order to reformulate the optimal control problem of distributed parameter systems as a mathematical programming problem of finite dimension, a space, co-ordinate is discretized by use of the finite element method, while the Runge–Kutta method is utilized for time integrations. Finally, the performance index of the optimal control problem is minimized by the conjugate gradient method of optimization.     

一种基于最优输出跟踪的多源动态载荷识别方法

基于最优输出跟踪的基本思想,提出了一种时域内多源动态载荷识别的方法。该方法从结构动力响应出发,设计一个最优输出跟踪器并构造性能指标,将载荷识别问题转变为最优输出跟踪问题。通过Adams法求解微分方程,实现了多源动态载荷的识别,并采用L曲线法确定了性能指标中的关键参数。数值算例表明,所述的载荷识别方法能够在响应数据含有噪声的情况下,有效稳定地实现多源动态载荷的重构,具有较强的抗噪能力。     

消能减震剪力墙结构体系的最优设计

提出了一种消能减震剪力墙结构最优阻尼比的设计方法。采用连续化方法,将剪力墙连梁处的阻尼器参数连续分布在墙肢上,从墙肢的微元体的力学平衡方程出发,建立了墙肢的动力偏微分方程,并映射成为双变量的常微分方程。求导建立最优函数方程,将两种极限状态参数代入最优函数方程,获得一个关于阻尼比的超越方程,用数值解法确定最优阻尼比。数值分析结果表明了设计方法的有效性。该设计方法的特点是物理概念明确,计算过程的物理信息不丢失,工作量少,可推广应用在高层建筑的消能减震设计中。